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面向?qū)ο蠊こ棠０鍞?shù)據(jù)模型研究
摘要：根據(jù)冷沖模ＣＡＤ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將面向?qū)ο笏枷肱c模板的知識(shí)表達(dá)方式相融合，提出了面向?qū)ο蠊こ棠０澹⒘嗽O(shè)計(jì)與制造活動(dòng)的有機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了幾何信息與制造信息的集成和分離的對(duì)立統(tǒng)一，將復(fù)雜對(duì)象、層次結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用相對(duì)簡(jiǎn)單且組織嚴(yán)密的方式組織起來。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)模型 面向?qū)ο蠊こ棠０?冷沖模
隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ＣＡＤ）的迅速發(fā)展，集成化ＣＡＤ系統(tǒng)的研制與開發(fā)成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）環(huán)境下ＣＡＤ的發(fā)展方向。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程實(shí)質(zhì)是對(duì)信息的采集、傳遞、加工和處理過程，其本質(zhì)體現(xiàn)在以信息集成為特征的技術(shù)集成和人的集成兩方面?１?。信息集成是指將ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＩＭＳ工程設(shè)計(jì)中涉及的數(shù)據(jù)和信息（尤其是圖形數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化非圖形信息）集中起來管理。由于工程設(shè)計(jì)過程的特殊性，設(shè)計(jì)過程是一個(gè)不斷反復(fù)、試探、選擇、完善的過程，會(huì)面臨大量需要組織的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)；同時(shí)還會(huì)因?yàn)橥辉O(shè)計(jì)對(duì)象的多個(gè)版本而產(chǎn)生大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，這些都給數(shù)據(jù)組織帶來了很大的困難。因此如何及時(shí)、有效地組織和管理工程數(shù)據(jù)成為工程設(shè)計(jì)人員迫切需要解決的問題。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型工程設(shè)計(jì)中沒有足夠的能力表達(dá)工程數(shù)據(jù)的全部語義結(jié)構(gòu)，表達(dá)工程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型應(yīng)當(dāng)具有以下幾個(gè)方面的特性：
·隨著工程設(shè)計(jì)的逐步深入，設(shè)計(jì)人員能夠定義新的數(shù)據(jù)類別，并對(duì)已有的數(shù)據(jù)類別進(jìn)行改進(jìn)和重新定義；
·可以允許定義靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)種類，靜態(tài)實(shí)體屬于設(shè)計(jì)環(huán)境的一部分，可用它創(chuàng)建表示設(shè)計(jì)對(duì)象的動(dòng)態(tài)實(shí)體；
·在提供基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可以建立設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象數(shù)據(jù)類型；
·提供描述復(fù)雜對(duì)象的數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)框架，使得不同的設(shè)計(jì)者從不同的角度描述同一設(shè)計(jì)對(duì)象時(shí)，它們的視圖是相關(guān)的；
·在數(shù)據(jù)模型里可以按照一定的格式描述任意一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息及其語義信息，滿足設(shè)計(jì)要求；
·滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求的一切產(chǎn)品都能為數(shù)據(jù)模型所描述。
１ 面向?qū)ο笈c模板
模板的基本思想是從一組相似的事物中抽象出一種框架型的模式，任何一個(gè)類似的事物都可作為以模板為超類派生的實(shí)例。將模板概念引入到工程ＣＡＤ領(lǐng)域，這與工程ＣＡＤ領(lǐng)域的設(shè)計(jì)特色有密切的關(guān)系。工程設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員具有創(chuàng)造性的思維活動(dòng)，其特點(diǎn)具體表現(xiàn)在創(chuàng)造性、變異性、模式重復(fù)性、繪圖工作量大等方面。采用工程模板的設(shè)計(jì)思想使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的不同階段都能按照自己的要求進(jìn)行操作；而面向?qū)ο竽Ｐ涂梢悦枋龊軓?fù)雜的事物，并能在統(tǒng)一概念化的基礎(chǔ)上處理有關(guān)數(shù)據(jù)。因而把對(duì)面向?qū)ο竽Ｐ偷难芯亢蛯?duì)工程模板設(shè)計(jì)理論與方法學(xué)的研究結(jié)合起來設(shè)計(jì)面向?qū)ο蠊こ棠０�，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息模型可以從更本質(zhì)的基礎(chǔ)上建立起來。
模板的應(yīng)用很廣泛，如在程序設(shè)計(jì)語言中（如ＶＣ＋＋）引入了面向?qū)ο箢悾ê瘮?shù)）模板用于支持程序設(shè)計(jì)的參數(shù)化、多態(tài)性。模板函數(shù)可以使某個(gè)類型范圍之內(nèi)的各種類型的對(duì)象達(dá)到一些相同或相似的功能，但這種類型要求參數(shù)個(gè)數(shù)相同，因而函數(shù)模板適用于函數(shù)名相同、算法相同、參數(shù)個(gè)數(shù)相同，只是類型不同的問題。與面向?qū)ο箢悾ê瘮?shù)）模板相比，面向?qū)ο蠊こ棠０逵幸韵绿攸c(diǎn)：
·描述數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息采用半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模式，不是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制性的約束；
·可以利用工程模板的嵌套、層次結(jié)構(gòu)描述具有復(fù)雜語義的數(shù)據(jù)類型；
·數(shù)據(jù)模式的自描述性；
·可以支持產(chǎn)品全生命周期的信息建模。
圖1 冷沖模設(shè)計(jì)信息的面向?qū)ο竽０鍞?shù)據(jù)模型
２ 面向?qū)ο蠊こ棠０宥x
定義１：ＴＥＭＰＬＡＴＥ::＝＜ＩＤ?ＶＥＲＳＩＯＮ?ＯＢＪＥＣＴＳＥＴ?
ＲＵＬＥＳＥＴ?ＡＳＳＥＭＢＬＹ?ＡＲＲＡＮＧＥＳＥＴ， ＳＴＯＲＡＧＥ＞?其中：ＩＤ是模板的唯一標(biāo)識(shí)，ＶＥＲＳＩＯＮ是工程設(shè)計(jì)的版本號(hào)，ＯＢＪＥＣＴＳＥＴ是對(duì)設(shè)計(jì)中的對(duì)象類集的描述，ＲＵＬＥＳＥＴ是對(duì)象之間的約束信息的定義描述，ＡＳＳＥＭＢＬＹ是零件裝配信息的描述，ＡＲＲＡＮＧＥＳＥＴ描述對(duì)象之間的上下、左右相互間的位置信息，ＳＴＯＲＡＧＥ將對(duì)象類集中對(duì)象進(jìn)行存儲(chǔ)。
定義２：ＯＢＪＥＣＴＳＥＴ::＝?＜ＮＡＭＥ＞?＜ＶＥＲＳＩＯＮ＞?
＜ＩＮＨＥＲＩＴＣＬＡＳＳＮＡＭＥ＞，＜ＣＯＭＰＯＳＥＤＣＬＡ ＳＳＮＡ ＭＥ＞，＜ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＳ＞?＜ＲＵＬＥＳ＞?＜ＭＥＴＨＯＤＳ＞??其中：ＮＡＭＥ是對(duì)象類集中的對(duì)象類的名稱，ＶＥＲＳＩＯＮ是對(duì)象類的版本號(hào)，ＩＮＨＥＲＩＴＣＬＡＳＳＮＡＭＥ是該對(duì)象類超類的名稱，ＣＯＭＰＯＳＥＤＣＬＡＳＳＮＡＭＥ是被聚合類的名稱，ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＳ是對(duì)象類的屬性描述，ＲＵＬＥＳ是對(duì)象類內(nèi)部屬性之間的約束描述；ＭＥＴＨＯＤＳ是對(duì)象類的方法描述。
定義３：ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＳ::＝?＜ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＮＡＭＥ＞?＜ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＴＹＰＥ＞?＜ＶＡＬＵＥＥＸＰＲＥＳＳ＞?，其中：ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＮＡＭＥ是屬性名稱，ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＴＹＰＥ是屬性類型，ＶＡＬＵＥＥＸＰＲＥＳＳ是屬性求值表達(dá)式。
定義４：ＭＥＴＨＯＤＳ::＝?＜ＭＥＴＨＯＤＮＡＭＥ＞?＜ＭＥＴＨＯＤＡＴＴＲＩＢＵＴＥ＞?＜ＬＩＢＮＡＭＥ＞?＜ＭＥＴＨＯＤＩＭＰＬＥＭＥＮＤＳ＞?，其中：ＭＥＴＨＯＤＮＡＭＥ是方法名，ＭＥＴＨＯＤＡＴＴＲＩＢＵＴＥ是方法參數(shù)列表，ＬＩＢＮＡＭＥ是方法所屬動(dòng)態(tài)鏈接庫名稱，ＭＥＴＨＯＤＩＭＰＬＥＭＥＮＤＳ是方法內(nèi)部實(shí)現(xiàn)接口定義。
定義５：ＲＵＬＥＳ::＝?＜ＫＥＹＷＯＲＤ＞?＜ＡＴＴＲＩＢＵＴＥ＞?＜ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ＞?，其中：ＫＥＹＷＯＲＤ為系統(tǒng)定義的關(guān)鍵字，ＡＴＴＲＩＢＵＴＥ為對(duì)象屬性名，ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ為屬性求值表達(dá)式。
定義６：ＡＳＳＥＭＢＬＹ::＝?＜ＫＥＹＷＯＲＤ＞?＜ＯＢＪＥＣＴ１＞?＜ＯＢＪＥＣＴ２＞?＜ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ＞?，其中：ＫＥＹＷＯＲＤ為系統(tǒng)定義的關(guān)鍵字，ＯＢＪＥＣＴ１、ＯＢＪＥＣＴ２是對(duì)象類的名稱，ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ是對(duì)象間裝配信息表達(dá)式。
定義７：ＡＲＲＡＮＧＥＳＥＴ::＝?＜ＷＡＹ＞?＜ＸＰＯＩＮＴ＞?＜ＹＰＯＩＮＴ＞，＜ＺＰＯＩＮＴ＞??其中：ＷＡＹ是位置排列信息，ＸＰＯＩＮＴ是距離中心點(diǎn)的Ｘ坐標(biāo)，ＹＰＯＩＮＴ是距離中心點(diǎn)的Ｙ坐標(biāo)，ＺＰＯＩＮＴ是距離中心點(diǎn)的Ｚ坐標(biāo)。
定義８：ＳＴＯＲＡＧＥ::＝?＜ＣＬＡＳＳＴＢＬＮＡＭＥ＞?＜ＣＬＡＳＳＦＬＤＮＡＭＥＳ＞?＜ＶＥＲＳＩＯＮ＞??其中：ＣＬＡＳＳＴＢＬＮＡＭＥ是類表名，ＣＬＡＳＳＦＬＤＮＡＭＥＳ是表中的各類對(duì)象的名稱，ＶＥＲＳＩＯＮ是版本信息。
面向?qū)ο蠊こ棠０逋ㄟ^一組定義表示一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，它描述的是一種抽象數(shù)據(jù)類型。應(yīng)用抽象數(shù)據(jù)的概念可以從概念的高度，把握事務(wù)之間內(nèi)在的、實(shí)質(zhì)性聯(lián)系。面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)一步發(fā)展了抽象數(shù)據(jù)概念，引入了能把有關(guān)事物進(jìn)行分類、組織成層次的概括?Ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ?機(jī)制和把有關(guān)對(duì)象歸并在一起的聚集?Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ?機(jī)制。
面向?qū)ο蠊こ棠０迥Ｐ途哂谐浞值娜嵝院涂蓴U(kuò)充性。在建模時(shí)，利用類的封裝性、繼承性和多態(tài)性?６?，采用面向?qū)ο蟮淖陨隙�、從概念抽象開始、逐步細(xì)化的方法。每個(gè)對(duì)象可以按照概括（Ｇ－關(guān)聯(lián)）關(guān)系展開，深入分析，建立下層對(duì)象之間的聯(lián)系。
由于工程設(shè)計(jì)的特殊性，在工程設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮產(chǎn)品的幾何信息和制造信息，如零部件屬性、零部件之間的各種裝配位置關(guān)系、約束條件等，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)從面向?qū)ο蟮乃枷肟紤]一個(gè)零件對(duì)象應(yīng)有的一些方法。例如對(duì)于鏈接件對(duì)象，它應(yīng)當(dāng)有可以將另幾個(gè)對(duì)象鏈接在一起的方法。這些方法都應(yīng)當(dāng)封裝在零件內(nèi)部，提供給外界一個(gè)接口。對(duì)于一個(gè)類，將它的所有實(shí)現(xiàn)方法放在一個(gè)ＤＬＬ中，形成一個(gè)方法庫，把該類的方法庫與每一個(gè)方法的源代碼均當(dāng)作非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交給工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。
３ 面向?qū)ο蠊こ棠０鍛?yīng)用
以冷沖模ＣＡＤ設(shè)計(jì)為例，用面向?qū)ο竽０褰M織模具設(shè)計(jì)中的各種工程設(shè)計(jì)信息，設(shè)計(jì)信息的面向?qū)ο蠊こ棠０鍞?shù)據(jù)模型如圖１所示。冷沖模是由模架、沖頭、鏈接件、凹模、墊板等元件組成。在面向?qū)ο蠊こ棠０迥Ｐ椭�，不僅表示元件特征信息，而且描述了元件的位置分布關(guān)系、連接關(guān)系、操作關(guān)系等語義信息，明確地表示了元件之間的關(guān)聯(lián)信息。其中Ｇ－關(guān)聯(lián)?Ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ?用ＩＳ－Ａ表示，Ａ－關(guān)聯(lián)?Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ?用Ａ表示。圖１中顯示的是零件聚集關(guān)系的展開，既可以在一類對(duì)象的共性上對(duì)其進(jìn)行分析和處理，也可以對(duì)其中的某個(gè)具體對(duì)象的個(gè)性進(jìn)行分析和處理。從數(shù)據(jù)模式中可以看出，從設(shè)計(jì)活動(dòng)一開始，面向?qū)ο竽０寰徒⒘嗽O(shè)計(jì)和制造活動(dòng)的有機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了幾何信息與制造信息的集成和分離的對(duì)立統(tǒng)一。
面向?qū)ο蠊こ棠０鍞?shù)據(jù)模型采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)定義模板的組織結(jié)構(gòu)，利用定義的模板描述語言（ＴＤＬ）進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，一方面有效地組織工程設(shè)計(jì)中的各種數(shù)據(jù)，另一方面能夠很好地模擬工程中的復(fù)雜對(duì)象，能表示其層次結(jié)構(gòu)，支持動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)對(duì)象這一較高層次上進(jìn)行管理。由于考慮了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工藝、制造工藝以及約束條件等信息，將設(shè)計(jì)中的各種信息、數(shù)據(jù)集成在面向?qū)ο蠊こ棠０逯�，從而使得設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行初期的功能設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)時(shí)就能保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性及合理性，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的各種問題；在設(shè)計(jì)結(jié)束階段形成了以模板的版本號(hào)為根目錄的整個(gè)產(chǎn)品的工程數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)中取得了良好的應(yīng)用效果。
下面給出一個(gè)模板整體框架，主要以注釋方式給出模板含義的解釋。
／／ 對(duì)象列表；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ｏｂｊｅｃｔ?
ｉｎｈｅｒｉｔ?
ｂａｓｅｂｏｘ?ｓｈａｎｇｄｉａｎｂａｎ?ｇｕｄｉｎｂａｎ?
ａｏｍｏ?ａｏｍｏ?
ｃｈｏｎｇｔｏｕ?ｃｈｏｎｇｔｏｕ?
……
ｐａｒｔ?
ｕｐｍｏｊｉａ?ｓｈａｎｇｍｏｊｉａ?ｄａｏｚｈｕ? ／／上模座由上模架和導(dǎo)
柱組成
……
ｅｎｄ ｏｆ ｏｂｊｅｃｔ
／／ 對(duì)象屬性集合段；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ?
ｄｅｆａｕｌｔ ｍｏｂｉｎ．ｄ ５０ ／／模柄直徑的默認(rèn)值為５０
ｔａｂｌｅ ｌｕｏｄｉｎ３．ｄ ｍｏｂｉｎ ｄ３ ｄ＝ｍｏｂｉｎ．ｄ
／／螺釘３的ｄ為模柄中的ｄ３
字段，條件為模柄ｄ
……
ｅｎｄ ｏｆ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ
／／ 位置約束段；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ｐｏｓｉｔｏｎ
ｌｕｏｄｉｎ１ １? ９５，４５ ／／以第一種方式排列距中心
點(diǎn)ｘ 坐標(biāo)９５，ｙ坐標(biāo)４５
ｄａｏｈｕａｌｄ１ ３? ３０?０ ／／以第三種方式排列距中心
點(diǎn)ｘ 坐標(biāo)３０，ｙ坐標(biāo)０
……
ｅｎｄ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ
／／ 裝配約束段；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｅ
ｌｕｏｄｉｎ?ｌｕｏｄｉｎ１ ?ｓｈａｎｇｍｏｊｉａ?ｓｈａｎｇｄｉａｎｂａｎ?ｇｕｄｉｎｂａｎ?
／／表示螺釘１連接上模座、上墊
板和固定板
……
ｅｎｄ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｅ
……
／／產(chǎn)品設(shè)計(jì)描述、版本等信息描述段；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ｄｅｓｃｒｉｂｅ
ｎａｍｅ?ｌｕｏｌｉａｏｍｏ
ｖｅｒｓｉｏｎ?１．１．１
ｄｅｓｉｇｎｅｒ?ｗａｎｇｊｕｎ
ｄｅｓｉｇｎｄａｔｅ?２００２－０５－２５
……
ｅｎｄ ｏｆ ｄｅｓｃｒｉｂｅ
本文通過面向?qū)ο蠊こ棠０褰?shù)據(jù)模型可以使設(shè)計(jì)人員節(jié)省大量的時(shí)間、減少工作量、統(tǒng)一設(shè)計(jì)風(fēng)格、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、確保效果與效率；同時(shí)建立了設(shè)計(jì)和制造過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一模型，并在此基礎(chǔ)上建立面向?qū)ο蠊こ虜?shù)據(jù)庫處理的工程數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)人員可以通過面向?qū)ο蠊こ虜?shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、有效的管理。
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